標題 Evolving paradigms in biological carbon cycling in the ocean
中文標題 海洋生物碳循環模式的演變
期刊 National Science Review，2018，IF 9.408
第一作者 Chuanlun Zhang
Department of Ocean Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen, China
通訊作者 Chuanlun Zhang
Nianzhi Jiao
State Key Laboratory of Marine Environmental Science, Institute of Marine Microbes and Ecospheres, College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen, China
摘要
碳是全球生物地球化學循環的重要元素，同時，它還在海洋生物和非生物的物質循環過程中扮演著重要的角色。海洋中的非生物碳和生物碳之間的相互作用是復雜的，其中還蘊藏著一個近半個世紀之久的謎團，海洋中難降解有機碳(RDOC)的巨大儲量（相當于大氣中二氧化碳的總量）從何而來。生物碳泵(BCP)和微生物環(ML)的概念促進了我們對海洋碳循環的理解。而微生物碳泵(MCP)的概念與BCP和ML的概念密切相關，它明確考慮了海洋RDOC儲藏量的重要性，并為探索其形成機制和持久性提供了一個有效的解釋。組學以及生物海洋學、微生物地球化學方面的新研究對如何理解MCP大有裨益。由于需要預測海洋對于氣候變化的響應，使得對BCP、ML和MCP的綜合認識成為一項十分重要的研究方向。這篇文章總結和討論了從2010年MCP計劃提出至今的研究進展，并為未來的研究方向提供了建議。
前言
現代海洋的光合作用約占全球光合作用的50%，其主要的有機物產量構成了海洋生態系統碳循環的核心。因此，海洋通過大氣中二氧化碳的凈吸收和分子氧的凈釋放，對大氣的化學和氧化還原狀態產生重大影響。早期的評估顯示，大約25%的海洋初級生產力是通過生物碳泵（BCP）輸送到海洋內部的(透光帶以下)，后來這個數字被改為重力下沉10-15%，以及水動力被動運輸和垂直遷移主動運輸各占5%。深海(>1000 m)的碳將被海洋保留100年至1000年的時間。約0.3%的海洋初級產物被埋藏在海洋沉積物中，而且其中一些最終形成了一個主要的有機質儲集層，在巖層中保存了數億年（圖1）。
圖1 海洋中生物產生的有機碳(微粒有機碳POC和DOC)的循環。
據估計，自工業革命以來，海洋吸收了約占人類活動產生二氧化碳的25%，這導致了海洋的酸化，并對生物地球化學和氣候過程以及海洋碳循環產生了影響。全球變暖和海洋酸化及其各自的后果影響著BCP的功能，而BCP則是將大氣二氧化碳存儲在海洋中的主要途徑。微生物碳泵(MCP)為海洋碳循環提供了一條額外的存儲途徑，而海洋碳循環又與全球氣候變化密切相關。
BCP是含碳化合物通過生物過程從海洋表面輸送到深海的機制，而MCP與溶解有機碳(DOC)庫密切相關，特別是占大多數并能在海洋中儲存4000- 6000年之久的穩定的RDOC(圖1)。Hansell將穩定的溶解有機碳(RDOC)定義為“抗微生物快速降解且在海洋中積累并可見的DOC”。 DOC在公海的濃度范圍為360到960μg /公斤(或30到80μmol /公斤)并且在表層海水經常看到顯著的季節性變化。全球海洋總儲量為662億噸碳，巨大的DOC儲量幾乎相當于大氣中的二氧化碳儲量(750億噸碳)。因此，DOC庫的生物地球化學變動對海洋碳循環和氣候具有重要意義。
MCP介導了不穩定碳向RDOC的轉化，而RDOC則建立在以往對海洋碳循環和儲存過程的認識基礎之上，即BCP、微生物環(Microbial Loop)和病毒分流(Virus Shunt)。同時，在礦化溶解有機質(DOM)中的N和P時，MCP的功能也會影響營養物質的化學計量。這些DOM是通過VS或其它生物過程所產生的，比如浮游植物的排泄和浮游動物的攝食等。這種營養物質的循環利用提高了當地的初級生產力，同時豐富了剩余的DOM，從而降低了其營養價值。
但目前，我們還沒有很好地了解MCP的詳細過程。這在很大程度上是由于微生物群落的復雜性和DOM化合物中大量未解決的化學結構。越來越多的研究致力于利用微生物學和地球化學技術來填補微生物組學和有機碳組成之間的空白。本文綜述了近期對BCP、ML和MCP的重要發現，并總結了焦念志等人對MCP的最新研究進展。
微生物在DOC生成和降解中的作用
BCP始于自養光合生物固定了溶解于透光區的二氧化碳，生成了微粒有機碳(POC)（圖2）。微粒有機質(POM)由生物和非生物兩部分組成，其中大部分是通過表層生態系統的呼吸代謝過程轉變為CO2。浮游動物的垂直遷移和水團的物理下沉將有機物移到較深的地方，有機物在那里積累或被呼吸（微生物的降解）。在深水區停留的二氧化碳便不與大氣產生聯系，其中在100米以下的停留時間約數十到數百年，而在1000米以下的為數千年（圖2）。 此外，在氣候變化的時間尺度上，通過BCP達到后者深度（1000米以下）的顆粒狀態或溶解狀態的有機物也應被認為是隔離的。
工業革命后，不斷增加的大氣二氧化碳濃度引發了幾個重要的科學問題:（1）海洋會繼續吸收碳嗎？ （2）如果會，將以何種速率？（3）被人類釋放的多余的碳多久后會從大氣中被清除？這些問題涉及未來BCP的功能和效率。全球變暖和過去的碳儲(海洋酸化)也將改變BCP，導致了下一個問題:（4）生物泵將如何應對碳輸入增加和氣候變暖的后果? 其中一種假設是，在未來幾十年，浮游植物細胞尺寸的減小會降低表層海洋向下的POC通量，而浮游動物群落結構的變化會降低次表層海水向下的POC通量。然而，不同的預測得到不同的結果，而這些問題的答案在科學界仍然存在爭議。最近，美國國家科學基金會收到了一份關于對海洋BCP的報告，報告推薦了三個主要的研究方向：i.食物網調控產出，ii.溶解顆粒連續體，iii.時空有機物輸運的變化。幾個大型項目，如正在進行的US-EXPORTS和UK COMICS以及一些其它的努力，都聚焦于BCP。雖然許多形式的垂直輸送可能與BCP有關，但它主要關注通過物理和生物力量向下移動的顆粒。而ML，從另一方面，將微生物及其物理和化學環境互相之間錯綜復雜作用聯系起來。ML關注的是水體中的碳循環，細菌(實際上指細菌和古細菌)、原生動物和病毒決定了DOM的命運。據估計，細菌可以將多達50%的海洋初級產物導入ML中，這凸顯了它們在海洋碳循環中的重要性。同樣，Legendre 和 Rivkin發現異養微生物始終主導著透光區的呼吸。ML和草食食物網一起提供了一種機制來保持營養，如N和P在高度分層的上層的低營養海洋中的循環，通過浮游植物、細菌和微型浮游動物相互作用共同完成（圖2）。
圖2 BCP、ML和MCP的示意圖。
MCP補充并連接了BCP和ML的概念，此外還包括VS的概念，形成了一個更完整的概念，即海洋生態系統中的生物碳循環。VS是指由于細胞裂解而將碳和營養物質釋放回環境的過程，它與BCP、ML和MCP緊密相連，因為細胞裂解將生物POM轉化為DOM和非生物POM。據估計，多達四分之一由浮游植物固定的碳通過VS流動，從而促進了整個生態系統的呼吸。釋放的DOM和POM主要來源于細菌，因此，相對于其他營養物質，它們的碳含量太少，無法滿足細菌的需求(因為呼吸需要碳)。由于細胞裂解釋放的還有某些穩定碳(例如細胞壁物質)，因此DOM和POM顯得更加短缺。因此，由于裂解產物是由ML來處理的，DOM的代謝，將釋放無機營養物質，改變營養循環的途徑并豐富較穩定的DOC庫。這個過程直接將VS與ML和MCP耦合，被稱為“分流和泵（shunt and pump）”。
BCP、ML和MCP具有不同的生態或生物地球化學意義(表1)，并且各自影響了多個研究學科。這三個概念是開發全球生物地球化學和生態模型的基礎，這些模型依賴于理解生物體以及POC和DOC庫之間的相互作用（圖3）。
圖3 全球生物地球化學和生態模型之于目前對生物體生物學以及POM和DOM庫之間相互作用的理解。
一些綜述提供了對BCP和ML的詳細描述。在這里，我們將重點介紹在BCP和ML背景下的MCP最新研究進展。
在過去八年中，MCP的研究進展及RDOM組成的鑒別和量化
特別是在難降解的DOM的組成、形成機制、與ML生物地球化學相互作用的性質以及相關的群落遷移和營養動力學方面取得了重大進展。對微生物在不同的分類和功能群水平下，如何處理DOM的認識也有了進步。
根據Hansell等人的描述，海洋中只有不到1%的DOC是不穩定（LDOC）的，94%是難降解（RDOC）的，而剩下的5%是半不穩定（SLDOC）的。海洋中大部分RDOC的產生可以歸因于微生物的活動。Kaiser和Benner估計25%的有機碳(包括POC和DOC)來自于細菌。Benner和Herndl進一步計算出SLDOC約為10pg和RDOC約為155pg是來源于細菌。后續還有許多諸如此類的研究。最近，在對RDOC庫進行量化的同時，在確定RDOC的分子組成和在海洋水柱中產生RDOC的微生物種群方面也取得了進展。微生物RDOC的生產將是以下章節的重點。
RDOM中特定生物化學物質的表征
1
碳水化合物，氨基酸和氨基糖
早期的研究通過測量常見的生化物質，如碳水化合物、氨基酸和脂質，來檢測RDOC的組成。Ogawa等人報道了不穩定底物(D-glucose 和 D-glutamate)在生物測定實驗中轉化為難降解的可水解中性糖、氨基糖和氨基酸。這些化合物的濃度后來被證實與天然深海水域的相似，這些低分子量DOC只占總RDOC不到2%。特別是，氨基酸的D對映體已被觀察到有助于RDOC庫，并主要來源于細菌。D-氨基酸與L-氨基酸的比例已被用作表征難降解程度的指標，表現為從大塊POM到難降解的低分子量DOM其比例顯著增加。
2
微生物油脂
微生物脂類可能是海洋RDOC庫的重要組成部分。有些脂質比碳水化合物或蛋白質(水解成氨基酸)更耐降解，可以在沉積物或巖石中保存上億或上十億年。微生物油脂的研究大多是在沉積物或POM中進行的，因為需要大量的有機物質進行脂質分析。隨著地中海水深的增加，下沉的POC裂解產物中烷烴也增加，表明了難降解類脂質在水柱中的積累具有選擇性。元古代巖石中的烷烴也被鑒定為異養細菌的生物標志物。這些生物標志物可能來自MCP活動，MCP活動促成了比現代海洋大100-1000倍的DOC庫。類脂大分子在深海有類似的放射性碳年齡和δ13C值，表明大部分POC在組成上可能與類脂大分子相似。
在開放的大西洋和太平洋的DOM庫中，脂類物質的年齡也大于碳水化合物和蛋白質類物質的年齡。特別是，深海脂類提取物比相應的蛋白質和碳水化合物類年齡大13000-14000。這種脂類提取物也比高分子量DOM的形成時間長1000年。這表明深海POM和DOM有著不同的起源，后者的回收利用更為廣泛。
Hwang等人和Loh等人都沒有發現POM或DOM組分中有特定的脂質成分。然而，許多關注POM的研究表明，從浮游古菌、細菌和浮游植物中提取了多種脂質標記。特別是，泉古菌醇被確定為浮游奇古菌門的一種主要的甘油二烷基甘油四醚(GDGT)生物標志物，目前在全球海洋中共存在1028個細胞。GDGTs可以在沉積物中保存數百萬年，是RDOC庫中脂類物質的重要組成部分。由于奇古菌細胞體積小，DOM組分中所含的奇古菌細胞比顆粒有機組分中所含的奇古菌細胞要多。對脂質溶解相的測量表明，GDGT的總豐度每升為數十納米克；然而，一旦生物死亡，其核心脂質可能被納入大顆粒(0.7 到 60-μm)，可以更迅速地運入深海，埋入海洋沉積物。同樣的機理也適用于海洋沉積物的POM中細菌脂質積累。然而，有多少細菌或古細菌脂質存在于RDOM的未鑒定部分是未知的，因為未鑒定的RDOM大部分是酸不溶性的，不能通過常規氣相色譜或液相色譜質譜法鑒定。
3
類胡蘿卜素降解產物
Arakawa等人使用了固相萃取和綜合氣相色譜-質譜聯用技術鑒定了類胡蘿卜素降解產物(CDP)是積年DOM的重要組成部分。CDP是富含羧基的脂環分子(CRAM)的一個子集，與CRAM具有相似的核磁共振光譜。然而，具有共軛雙鍵的環頭基團和支鏈甲基側鏈，是浮游生物可產生的許多獨特類胡蘿卜素的異戊二烯類特征的定義特征。CDP可能在海洋難降解DOM中長期積累，并可能為一類生物合成前體轉化為難降解DOM提供獨特的途徑。然而，這一途徑既可以是生物的也可以是非生物的，微生物在類胡蘿卜素向RDOM轉化過程中所起的作用還不清楚。
表征RDOM
1
DOC:DON比，TDAA (%DOC)和熒光DOM
微生物優先利用含氮分子。因此，DOC：DON比值可以用來表示DOM的生物可利用率。研究發現C：N(摩爾比)從表面LDOM的10.0增加到深海RDOM的17.4。同樣的，DOC標準化了的總溶解氨基酸(TDAA (%DOC))可能是LDOC的一個指標。在LDOM中，TDAA (%DOC)從>20%下降到深海RDOM的0.7%。類腐殖質熒光DOM與深海水體的表觀氧利用具有良好的相關性，也被認為具有生物難降解性。這種關系可以解釋為，在原位微生物降解LDOC時，以氧為代價生成RDOC。除了熒光，吸光度也可以用來推斷DOM的不穩定性。特異性紫外吸光度已被證明是一種良好的芳香性指標，與DOM的不穩定性呈負相關。
2
DOC分子大小與放射性碳年齡的耦合
據觀察，全球海洋中有機碳總量的分布嚴重偏向于納米尺度，有一種假設是，有機物的生物利用度隨著有機分子尺寸的減小而降低，這意味著較小的有機分子類別被微生物再礦化的速度更慢。這也通過對不同大小顆粒的海洋有機物的化學成分和放射性碳含量的耦合分析，而被證實了。低分子量DOM在總DOM中所占比例也是最高的(77-95%)，這與RDOM在海洋中的總體優勢相一致。在海洋環境中，較大顆粒的特征是經歷時間短和較高的氮含量，較小分子的特征是時間長和氮的耗盡。
除了大小、年齡和組成之間的關系外，最近的一項研究發現，地中海淺層傾覆環流細胞中高分子量DOM濃度的下降與表觀氧利用率的增加有關。減少的高分子量約占DOM礦化的30%。表觀低分子量DOM礦化程度較低，說明微生物主要利用高分子量分子，而小粒徑類抗降解成為深海中難降解DOM的主要來源。
3
用傅立葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR MS）表征RDOM組分
RDOM由碳水化合物、氨基酸或脂類等常見生物分子占比不足10%所組成的。諸如C：N比、TDAA (%DOC)、熒光DOM或尺寸年齡關系等提供了關于DOM的組成和反應性的見解，但是需要其他分析方法來理解RDOM的組成。其中一種方法是傅里葉變換離子回旋共振質譜(FT-ICR MS)，近年來得到了廣泛的應用，因為它可以識別出成千上萬的分子公式，這些公式可以進一步進行詳細分析。FT-ICR MS是20多年前提出的，并越來越多地應用于表征陸地和海洋環境以及沿環境梯度的DOM組成變化。
CRAM通常被認為是難處理的，是深海DOM中含量最豐富的成分。這些化合物的特征是含有豐富的羧基和脂環，常見于萜類化合物中，并在不同的原核生物和真核生物中作為膜成分或次生代謝物出現?？紤]到目前在確定RDOC的組成和反應活性方面存在的限制，在碳循環研究中必須謹慎使用RDOM的表征手段。焦念志等人使用RDOCt這個術語來描述RDOC化合物在特定的環境環境中保持抵抗性，并使用RDOCc來描述由于其濃度極低而無法被微生物利用的RDOC化合物。爭論的焦點是，低濃度的DOC化合物是否是導致RDOC在海洋中難降解性的主要原因。最近的證據表明，只有一小部分RDOC分子稀釋到微生物無法利用的程度，而一些環境條件，包括光化學變化的和不同的微生物群落在內，對去除海洋中RDOC至關重要。
RDOC生產的機制和過程
對MCP的研究是為了剖析海洋中RDOM的組成，并確定負責RDOM命運的不同微生物種群，但這倆個目標在很大程度上仍是“黑匣子”。不過學術界已經達成共識，即對復雜DOM化合物和微生物群落進行深入、綜合的表征是探索微生物群落組成與DOM關系的前提。人們非常希望利用基因組學和生物信息學以及質譜分析能力提供的先進技術揭示這兩個黑匣子之間的密切聯系。在這里，主要介紹一些與RDOM生產相關的海洋生物，群落轉變和營養動態相關的研究進展。
1
已知生物體的碳代謝
細菌對有機物的代謝受其處理有機分子的生理能力和生化途徑的制約。研究最多的海洋細菌是“富營養化”的玫瑰桿菌分支和海洋α-變形桿菌綱的“寡養”SAR11分支，它們都是海洋細菌中數量占優勢和功能重要的類群。這些分支對DOC的利用模式不同，其中玫瑰桿菌菌株主要以碳水化合物為主，而SAR11更傾向于氨基酸等含氮DOC，這與這些生物ATP結合盒轉運蛋白的能力不同有關。另外兩組被研究的海洋細菌是γ-變形桿菌和黃桿菌，它們能夠通過依賴于TonB的轉運蛋白代謝大分子。
2
自然種群的碳代謝
在實驗室條件下使用單個生物體進行的研究通常集中在已知成分的有限底物上。然而，對于自然種群來說，情況要復雜得多，例如哪些細菌可能利用哪些碳化合物，以及這些化合物反過來是否可能影響特定的細菌群落組成。多項研究表明，在不同的環境條件下，特定的碳化合物可以選擇特定的物種或生物體群。例如，低分子量分子(如單體氨基酸、糖、短鏈脂肪酸)可以很容易地穿過細胞膜，并可被大多數異養細菌或古生菌利用。然而，已有研究表明，不同的低分子量有機化合物可以刺激不同類型的細菌生長，從而引起DOC庫的組成改變繼而可以選擇性地改變浮游細菌的群落結構。這與觀察到的玫瑰桿菌或SAR11型微生物選擇不同類型有機底物是一致的。但是，也有證據表明，浮游植物產生的DOC是數量而不是質量的問題，在給定底物濃度(10 - 100μM)范圍內選擇了不同類型的細菌。
群落組成對DOM命運的重要性也得到了證明。例如，在孵化實驗僅使用< 1.0 -μm的微生物種群，DOM組成是通過與脂質化合物和肽特征來決定的；然而，在大于1.0μm生物種群的孵化實驗中，DOM的組成幾乎與自然海水相同，表明在海洋環境中，更大的微生物具有約束DOM組成的作用。這些研究表明在海洋系統中，微生物群落結構和DOM組成或豐度的重要性，這應該可以區分RDOCt和RDOCc，以便更好地理解MCP。
細菌群落和DOM組成之間的相互作用也通過使用基因組工具比較顆粒附著和自由生活的生物體來檢驗。盡管我們知道與顆粒相關和自由生活微生物的不同生態策略，但我們對海洋環境中自由生活和與顆粒相關微生物的系統發育差異和生命策略背后的原理知之甚少。顆粒相關微生物能夠在營養豐富的條件下利用多種底物。另一方面，自由生活的異養生物在營養條件較差的情況下，常常面臨大量難降解的有機分子。然而，Zhang等觀察到POM與自由生活菌群的關系比與顆粒附著菌群的關系更強，說明POM的組成可能通過從有助于DOC生物利用度的顆粒中釋放不穩定或半不穩定的有機質而顯著影響自由生活菌群。當然，環境的營養狀況也可能影響附著顆粒和自由生活群體之間的差異。
3
生態系統級的微生物-DOM交互
微生物能有效地將有機物從不穩定狀態轉化為難降解的狀態。研究發現噬菌體豐度與深海碳輸送增加之間存在相關性，表明噬菌體誘導的細胞裂解通過增強團聚體形成促進顆粒下沉，從而增加向深海的碳運輸。還有病毒，有孔蟲，腰鞭毛蟲等的相關研究，也證實了微生物對碳通量的重要作用。而且，海洋表面樣品中微生物群落對高分子量DOM的基因組和轉錄反應的相關研究顯示，海洋DOM的循環可能需要不同細菌之間的協調和合作“專家”。
未來的研究前景
目前，迫切需要更好地了解全球范圍的環境變化效應，包括海洋變暖和酸化以及相關的脫氧作用和營養物質的變化對海洋碳循環的影響。一個核心問題是微生物如何促進海洋中有機碳的轉化?？偨Y起來，本文主張用三種方法來促進未來在這方面的研究。
首先，增加對不同自然環境中微生物群落的研究，包括更好地覆蓋深海。這些研究應該整合各種組學方法(如宏基因組，宏轉錄組，宏蛋白質組學和代謝組學)、各級的微生物群落(如病毒、細菌、古細菌、浮游植物和浮游動物)，以及在沿海和開放海域的選擇方面以確定海洋微生物的代謝能力是如何響應時空環境的變化。
其次，加強對微生物代謝與DOC化合物化學結構之間關系的理解?，F在可以結合組學、FT-ICR MS和NMR技術對DOC組成進行生物測定，并結合細菌群落的變化，這為深入了解RDOCt和RDOCc的形成機制提供了可能。尤其需要在不同營養條件和生態系統水平上對DOM的命運進行全面的研究。
最后，在受控的環境條件下，利用大型設施，如規劃好的海洋環境艙系統(山東大學)，建立和擴大長期孵化研究。利用這些設施為實地研究提供了獨特的補充，設法模擬海洋有關的物理、化學和生物環境條件(例如垂直分層)及其長期試驗的變化。這些實驗需要提供獨特的數據和見解，以檢驗關于全球環境變化對海洋碳循環影響的假設。
當然，也有必要研究浮游古菌在碳循環中的作用。這些古菌，如奇古菌，被認為在海洋碳循環中起著重要作用。然而，7年前提出的“我們可悲地不知道古老DOM產生(或同化)機制”的說法仍然成立。古菌的研究在很大程度上受到從海洋中分離菌種的困難的阻礙。因此，未來的努力應包括在基因組信息的指導下，開發富集和分離這些和其他生物體的新技術。
在RDOC的形成和保存過程及機理方面，MCP促進了富有挑戰和建設性的討論和研究。將繼續做出更多努力，特別是在全球海洋環流的背景下，通過綜合BCP、ML、VS和MCP的概念，應能進一步了解海洋碳循環。
